(57)【要約】【課題】従来必要とされていたヒートスプレッダ材を使用せずに構成できるようにして、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図り、しかも、熱サイクルに対する信頼性も向上させる。【解決手段】ヒートスプレッダモジュール１０は、接合体１２を具備し、該接合体１２は、板部材１４と、該板部材１４上に配された絶縁基板１６と、該絶縁基板１６上に配された回路基板１８とを有する。接合体１２の上面、すなわち、回路基板１８の上面には半田層２０を介してＩＣチップ２２が実装され、接合体１２の下面、すなわち、板部材１４の下面にはヒートシンク２４が例えば半田層２６を介して接合されてヒートシンクモジュール２８が構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも板部材と、絶縁基板と、回路基板とがこの順番で接合された接合体をするヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記板部材は、多孔質焼結体と金属層とを有し、前記多孔質焼結体の一部又は全部が前記金属層で包まれた構成を有することを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記多孔質焼結体は、前記接合体の厚みに対して３０％以上、９９％以下の厚みを有することを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記金属層の厚みは、前記接合体の厚みに対して０．０１％以上、５０％以下の範囲であることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記板部材の前記絶縁基板との接合面から前記多孔質焼結体までの前記金属層の厚みをｔ１、前記板部材の前記絶縁基板との接合面と反対側の面から前記多孔質焼結体までの前記金属層の厚みをｔ２としたとき、
ｔ１／ｔ２＝０．１〜１０
であることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記多孔質焼結体に前記金属層を構成する金属材料と同じ金属材料が含浸されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記多孔質焼結体は、カーボン、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＢＮ、ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4であることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記絶縁基板がＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記絶縁基板がＳｉ3Ｎ4（窒化シリコン）で構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項９】
請求項７又は８記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記金属層はＡｌ（アルミニウム）又はその合金で構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項１０】
請求項８記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記金属層はＣｕ（銅）又はその合金で構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記接合体の前記回路基板、前記絶縁基板及び前記板部材は、鋳包み法によって一体化されて構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記接合体は、前記回路基板と前記絶縁基板との間に接合材が介在され、前記絶縁基板と前記板部材との間に接合材が介在されて接合されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
【請求項１３】
少なくとも板部材と、絶縁基板と、回路基板とがこの順番で接合された接合体を有し、前記板部材が多孔質焼結体と金属層とを有し、前記多孔質焼結体の一部又は全部が前記金属層で包まれた構成を有するヒートスプレッダモジュールの製造方法であって、
金型内に前記絶縁基板と前記多孔質焼結体を設置し、前記金型のキャビティに溶融金属を流し込み、前記金型を冷却することによって、前記回路基板と前記絶縁基板と前記板部材とが一体化された接合体を作製する工程を有することを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記多孔質焼結体は、予め前記溶融金属の同じ金属材料が含浸されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１３記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記金型内に前記絶縁基板と前記多孔質焼結体を設置し、前記金型のキャビティに溶融金属を流し込み、その後、前記溶融金属を加圧することを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体等で構成されたＩＣチップ等を冷却するために使用されるヒートスプレッダモジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ゲート隔離型バイポーラトランジスタ）等の半導体装置の発熱を効果的に放散させる部材としてのヒートスプレッダモジュールは、回路基板、絶縁基板、金属板及びヒートスプレッダ材（熱拡散層）により構成される。このヒートスプレッダ材の下面にヒートシンクが接続される。
【０００３】
従来、これら部材を接合する際には、半田層（融点＝２５０℃程度）を用いて接合することが多かった。しかし、半田層が大きな熱抵抗となることと、回路基板と絶縁基板とのろう接合工程と、接合体と台座との接合工程の２つの工程を経由することから製造コストを高価格化させる要因となっていた。
【０００４】
そこで、本発明者らは、先に特許文献１において、回路基板、絶縁基板、中間層及びヒートシンク材を硬ろう材を用いて加圧しつつ加熱して接合することで、熱抵抗となる接合層を残留させず、かつ、１工程で接合する手法を開示した。この手法によれば、高い熱伝導率をもったヒートスプレッダモジュールを安価に得ることができる。
【０００５】
また、本発明者らは、ヒートスプレッダモジュールを接合する際に、余剰の硬ろう材を生じることなく、しかも、必要な接合強度を得ることができるヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュールも提案している（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−４３４８２号公報
【特許文献２】特開２００４−３０３８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ヒートシンクに接続されるヒートスプレッダ材を例えばＣｕＭｏ等で構成した場合、半導体装置からの発熱を広範囲に拡散させるために、幅広に形成する必要があり、例えば複数の半導体装置を実装する場合、幅広のヒートスプレッダ材上に、複数の半導体装置をそれぞれ間隔をとって実装する必要がある。なお、ヒートスプレッダ材と各半導体装置との間には、回路基板と絶縁基板と金属板が介在されている。
【０００８】
従って、従来のヒートスプレッダモジュールは、サイズが大きくなってしまい、また、ヒートスプレッダ材の厚みも大きくする必要があるため、ヒートスプレッダモジュールの軽量化、低背化、小型化並びにコストの低廉化には限界があった。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、従来必要とされていたヒートスプレッダ材を使用せずに構成することができ、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができ、しかも、熱サイクルに対する信頼性も向上させることができるヒートスプレッダモジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができるヒートスプレッダモジュールを容易に作製することができ、ヒートスプレッダモジュールの生産性の向上、歩留まりの向上を図ることができ、しかも、ヒートスプレッダモジュールの熱伝導性の向上を図ることができるヒートスプレッダモジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るヒートスプレッダモジュールは、少なくとも板部材と、絶縁基板と、回路基板とがこの順番で接合された接合体をするヒートスプレッダモジュールにおいて、前記板部材は、多孔質焼結体と金属層とを有し、前記多孔質焼結体の一部又は全部が前記金属層で包まれた構成を有することを特徴とする。
【００１２】
これにより、板部材がヒートスプレッダ材としての機能を果たすため、従来必要とされていたヒートスプレッダ材を使用せずにヒートスプレッダモジュールを構成することができ、しかも、板部材を幅広に形成する必要がないため、ヒートスプレッダモジュールの軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができる。また、多孔質焼結体が応力緩衝材として機能することから熱サイクルに対する信頼性を向上させることができる。
【００１３】
そして、前記構成において、前記多孔質焼結体は、前記接合体の厚みに対して３０％以上、９９％以下の厚みを有することが好ましい。さらに、好ましくは、５２％以上、９１％以下の厚みを有することである。
【００１４】
また、前記構成において、前記金属層の厚みｔは、前記接合体の厚みに対して０．０１％以上、５０％以下の範囲であることが好ましい。これにより、絶縁基板と多孔質焼結体との間並びに板部材に接合されるヒートシンク（水冷や空冷用の冷却フィン等）と多孔質焼結体との間に金属層が介在する形となり、接合体全体の熱伝導性を高めることができると共に、板部材とヒートシンクとの接合強度も確保することができる。また、上述の厚みの範囲であれば、金属層にて発生する応力を多孔質焼結体にて十分に緩和することができ、熱サイクルに対する信頼性の向上を図ることができる。
【００１５】
また、前記構成において、前記板部材の前記絶縁基板との接合面から前記多孔質焼結体までの前記金属層の厚みをｔ１、前記板部材の前記絶縁基板との接合面と反対側の面から前記多孔質焼結体までの前記金属層の厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２＝０．１〜１０であることが好ましい。ｔ１／ｔ２＝１あるいは１に近いほど、板部材内における多孔質焼結体の配置バランスが良好となり、板部材とヒートシンクとの接合強度を高めるための板部材の反りを容易に制御することができる。
【００１６】
また、前記構成において、前記多孔質焼結体に前記金属層を構成する金属材料が含浸されていてもよい。この場合、さらなる熱伝導の向上を図ることができる。
【００１７】
また、前記構成において、前記多孔質焼結体は、カーボン、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＢＮ、ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4であることが好ましい。この場合、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上と高いため、接合体全体の熱伝導率も高くすることができる。しかも、従来の例えばＣｕＭｏによるヒートスプレッダ材と比して軽量であるため、接合体全体の重量増を抑えることができる。
【００１８】
また、前記構成において、前記絶縁基板がＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されていてもよい。ＡｌＮは熱伝導率が高いため、接合体全体の熱伝導度を向上させる上で有利となる。
【００１９】
また、前記構成において、前記絶縁基板がＳｉ3Ｎ4（窒化シリコン）で構成されていてもよい。この場合、ＡｌＮよりも強度が高いため、回路基板上にＩＣチップを半田付けする際や、板部材にヒートシンクを半田付けする際に、その半田層の厚みや種類によっては板部材での応力緩和が不十分になるおそれがある場合に好ましく採用される。
【００２０】
なお、絶縁基板がＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の場合に、前記金属層はＡｌ（アルミニウム）で構成してもよい。あるいは、絶縁基板がＳｉ３Ｎ４の場合に、前記金属層はＣｕ（銅）で構成してもよい。金属層をＣｕとした場合、ＡｌＮの絶縁基板では応力を緩和できないおそれがあるため、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁基板を用いることが好ましい。
【００２１】
そして、前記接合体の前記回路基板、前記絶縁基板及び前記板部材を鋳包み法によって一体化して構成するようにしてもよいし（第１構成）、前記回路基板と前記絶縁基板との間に接合材を介在させ、前記絶縁基板と前記板部材との間に接合材を介在させて接合するようにしてもよい（第２構成）。第１構成は、鋳包み法を使って容易に接合体を作製することができるため、製造工程の簡略化を図ることができる。第２構成は、材料の選定によっては、鋳包み法が適用できない場合もありうるが、その場合に好適に採用することができる。
【００２２】
次に、本発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法は、少なくとも板部材と、絶縁基板と、回路基板とがこの順番で接合された接合体を有し、前記板部材が多孔質焼結体と金属層とを有し、前記多孔質焼結体の一部又は全部が前記金属層で包まれた構成を有するヒートスプレッダモジュールの製造方法であって、金型内に前記絶縁基板と前記多孔質焼結体を設置し、前記金型のキャビティに溶融金属を流し込み、前記金型を冷却することによって、前記回路基板と前記絶縁基板と前記板部材とが一体化された接合体を作製する工程を有することを特徴とする。
【００２３】
これにより、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができるヒートスプレッダモジュールを容易に作製することができ、ヒートスプレッダモジュールの生産性の向上、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、接合体の各部材間に硬ろう材や半田層を介在させる必要がないため、ヒートスプレッダモジュールの熱伝導性の向上を図ることができる。
【００２４】
そして、前記製造方法において、前記多孔質焼結体は、予め前記溶融金属の同じ金属材料が含浸されていてもよい。また、前記金型内に前記絶縁基板と前記多孔質焼結体を設置し、前記金型のキャビティに溶融金属を流し込み、その後、前記溶融金属を加圧するようにしてもよい（溶湯鍛造法、加圧鋳造法）。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明に係るヒートスプレッダモジュールによれば、従来必要とされていたヒートスプレッダ材を使用せずに構成することができ、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができる。
【００２６】
また、本発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法によれば、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができるヒートスプレッダモジュールを容易に作製することができ、ヒートスプレッダモジュールの生産性の向上、歩留まりの向上を図ることができ、しかも、ヒートスプレッダモジュールの熱伝導性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係るヒートスプレッダモジュール及びその製造方法の実施の形態例について図１〜図９Ｂを参照しながら説明する。
【００２８】
本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０は、図１に示すように、接合体１２を具備し、該接合体１２は、板部材１４と、該板部材１４上に配された絶縁基板１６と、該絶縁基板１６上に配された回路基板１８とを有する。
【００２９】
接合体１２の上面、すなわち、回路基板１８の上面には半田層２０を介してＩＣチップ２２が実装され、接合体１２の下面、すなわち、板部材１４の下面にはヒートシンク２４（水冷や空冷用の冷却フィン等）が例えば、グリース層、半田層２６を介して接合されてヒートシンクモジュール２８が構成される。
【００３０】
板部材１４は、多孔質焼結体３０と金属層３２とを有し、多孔質焼結体３０の一部又は全部が金属層３２で包まれた構成を有する。この実施の形態では、図１に示すように、多孔質焼結体３０の全体にわたって金属層３２が形成された構成を有するが、図２の変形例に示すように、多孔質焼結体３０の上面及び下面に金属層３２を形成して、側面を露出させた構成にしてもよい。つまり、多孔質焼結体３０の上部と下部にそれぞれ金属層３２が存在すればよい。
【００３１】
以下の説明では、多孔質焼結体３０の全体にわたって形成された金属層３２のうち、多孔質焼結体３０の上部に位置する金属層３２を上部金属層３２ａと記し、多孔質焼結体３０の下部に位置する金属層３２を下部金属層３２ｂと記す。
【００３２】
多孔質焼結体３０は、図３に示すように、カーボンを予備焼成してネットワーク化することによって得られ、且つ、多数の開気孔３４が形成された多孔質焼結体（カーボン、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＢＮ、ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4等）としてもよいし、図４に示すように、多孔質焼結体（カーボン、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＢＮ、ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4等）３０Ａの開気孔３４内に金属層３２を構成する金属材料と同じ金属材料３６を含浸して多孔質焼結体３０Ｂとしてもよい。この場合、図１に示す接合体１２を作製する際に、同時に多孔質焼結体３０に金属を含浸するようにしてもよい。
【００３３】
また、絶縁基板１６には、ＡｌＮ又はＳｉ3Ｎ4を用いることができ、板部材１４の金属層３２を構成する金属材料としてＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）を用いることができる。
【００３４】
このように、本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０においては、板部材１４がヒートスプレッダ材としての機能を果たすため、従来必要とされていたヒートスプレッダ材を使用せずにヒートスプレッダモジュール１０を構成することができ、しかも、板部材１４を幅広に形成する必要がないため、ヒートスプレッダモジュール１０及びヒートシンクモジュール２８の軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができる。また、多孔質焼結体３０が応力緩衝材として機能することから熱サイクルに対する信頼性を向上させることができる。
【００３５】
ここで、板部材１４の好ましい構成例について説明する。まず、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して３０％以上、９９％以下の厚みｔ３を有することが好ましい。これを示す実験例を示す。この実験例は、実施例１〜６及び比較例１〜５について、接合体１２の熱伝導性と熱衝撃耐性を見たものである。実施例１〜６及び比較例１〜５の内訳を図５に示し、実験結果を図６に示す。
【００３６】
図６において、熱伝導性の評価は、接合体１２の熱伝導率が１６９Ｗ／ｍＫ以下の場合に「×」、１７０〜２００Ｗ／ｍＫ以下の場合に「△」、２０１〜２３０Ｗ／ｍＫ以下の場合に「○」、２３０Ｗ／ｍＫ以上の場合に「◎」とした。
【００３７】
同様に、熱衝撃耐性の評価は、１５０〜−６５℃の熱サイクルが０〜１００回で接合体１２に剥離が生じた場合に「×」、前記熱サイクルが１０１〜５００回で接合体に剥離が生じた場合に「△」、前記熱サイクルが５０１〜１０００回で接合体に剥離が生じた場合に「○」、前記熱サイクルが１００１〜２０００回で接合体に剥離が生じた場合に「◎」とした。
【００３８】
そして、実施例１〜４は、回路基板１８の材質をＡｌ（アルミニウム）、厚みを０．６ｍｍとし、絶縁基板１６の材質をＡｌＮ（窒化アルミニウム）、厚みを０．６３５ｍｍとし、板部材１４の金属層３２の材質をＡｌ、特に、上部金属層３２ａの厚みを０．６ｍｍ、下部金属層３２ｂの厚みを０．６ｍｍとしたもので、そのうち、実施例１は、板部材１４の多孔質焼結体３０の材質をカーボンブラック（多孔質焼結体３０Ａ）とし、実施例２〜４は、カーボンブラックにＡｌを含浸させたもの（多孔質焼結体３０Ｂ）を使用した。なお、多孔質焼結体３０の厚みｔ３は、実施例１及び２において２．０００ｍｍ、実施例３において１０．０００ｍｍ、実施例４において１．２００ｍｍとした。
【００３９】
実施例５〜８は、回路基板１８の材質をＣｕ（銅）、厚みを０．３ｍｍとし、絶縁基板１６の材質をＳｉ3Ｎ4（図５ではＳＮで表記）、厚みを０．３００ｍｍとし、板部材１４の金属層３２の材質をＣｕとしたもので、そのうち、実施例５、６及び８は、上部金属層３２ａ及び下部金属層３２ｂの厚みをそれぞれ０．３ｍｍとし、実施例７は、上部金属層３２ａ及び下部金属層３２ｂの厚みをそれぞれ０．４ｍｍとした。さらに、実施例５は、板部材１４の多孔質焼結体３０の材質をカーボンとし、実施例６〜８は、カーボンにＣｕを含浸させたものを使用した。なお、多孔質焼結体３０の厚みｔ３は、実施例５及び６において２．０００ｍｍ、実施例７において１０．０００ｍｍ、実施例８において０．９００ｍｍとした。
【００４０】
比較例１及び４は、回路基板１８の材質をＡｌ、厚みを０．６ｍｍとし、絶縁基板１６の材質をＡｌＮ、厚みを０．６３５ｍｍとし、板部材１４の金属層３２（上部金属層３２ａのみであり、下部金属層３２ｂは存在しない）の材質をＡｌとしたもので、そのうち、比較例１は、金属層の厚みを０．６ｍｍとし、比較例４は、金属層の厚みを０．３ｍｍとした。
【００４１】
比較例２、３及び５は、回路基板１８の材質をＣｕ、厚みを０．３ｍｍとし、絶縁基板１６の材質をＳｉ3Ｎ4、厚みを０．３００ｍｍとし、板部材１４の金属層３２（上部金属層３２ａのみであり、下部金属層３２ｂは存在しない）の材質をＣｕ、厚みを０．３ｍｍとした。
【００４２】
特に、比較例１及び２の板部材は、多孔質焼結体３０が存在せず金属層３２のみとした。一方、比較例３は、板部材１４の多孔質焼結体３０の材質をカーボンブラックとし、比較例４は、カーボンにＡｌを含浸させたものを使用し、比較例５は、カーボンにＣｕを含浸させたものを使用した。なお、多孔質焼結体３０の厚みｔ３は、比較例３において０．３００ｍｍ、比較例４において０．４００ｍｍ、比較例５において０．２００ｍｍとした。
【００４３】
つまり、多孔質焼結体３０の厚みｔ３と接合体１２の厚みｔａとの比で見た場合、実施例１及び２において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して４５．１％の厚みｔ３を有し、実施例３において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して８０．４％の厚みｔ３を有し、実施例４において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して３３．０％の厚みｔ３を有し、実施例５及び６において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対してそれぞれ６２．５％の厚みｔ３を有し、実施例７において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して８７．７％の厚みｔ３を有し、実施例８において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して４２．９％の厚みｔ３を有する。
【００４４】
同様に、比較例１及び２において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して０％の厚みを有し、比較例３において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して２５．０％の厚みｔ３を有し、比較例４において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して２０．７％の厚みｔ３を有し、比較例５において、多孔質焼結体３０は、接合体１２の厚みｔａに対して１８．２％の厚みｔ３を有する。
【００４５】
この実験例から、図６に示すように、多孔質焼結体３０の厚みｔ３が接合体１２の厚みｔａに対して２５％以下の場合は（比較例１〜５）、熱伝導性が悪く、熱衝撃性についても信頼性の低いことがわかる。一方、多孔質焼結体３０の厚みｔ３が接合体１２の厚みｔａに対して３０％以上の場合は（実施例１〜８）、熱伝導性がよく、熱衝撃性についても信頼性が高いことがわかる。
【００４６】
その他の好ましい態様としては、金属層３２の厚み（上部金属層３２ａ及び下部金属層３２ｂの各厚み）は、接合体１２の厚みｔａに対して０．０１％以上、５０％以下の範囲であることが好ましい。これにより、絶縁基板１６と多孔質焼結体３０との間並びに板部材１４に接合されるヒートシンク２４（水冷や空冷用の冷却フィン等）と多孔質焼結体３０との間に金属層３２が介在する形となり、接合体１２全体の熱伝導性を高めることができると共に、板部材１４とヒートシンク２４との接合強度も確保することができる。また、上述の厚みの範囲であれば、金属層３２にて発生する応力を多孔質焼結体３０にて十分に緩和することができ、熱サイクルに対する信頼性の向上を図ることができる。
【００４７】
また、図１において、板部材１４の絶縁基板１６との接合面から多孔質焼結体３０までの金属層３２の厚みをｔ１、板部材１４の絶縁基板１６との接合面と反対側の面から多孔質焼結体３０までの金属層３２の厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２＝０．１〜１０であることが好ましい。ｔ１／ｔ２＝１あるいは１に近いほど、板部材１４内における多孔質焼結体３０の配置バランスが良好となり、板部材１４とヒートシンク２４との接合強度を高めるための板部材１４の反りを容易に制御することができる。
【００４８】
そして、本実施の形態において、図４に示すように、多孔質焼結体３０として、多孔質焼結体３０Ａに金属層３２を構成する金属材料３６が含浸されたタイプのもの（多孔質焼結体３０Ｂ）を使用すれば、さらなる熱伝導の向上を図ることができる。
【００４９】
また、多孔質焼結体３０として、カーボン、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＢＮ、ＡＬＮ，Ｓｉ3Ｎ4を使用すれば、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上と高いため、接合体１２全体の熱伝導率も高くすることができる。しかも、従来の例えばＣｕＭｏによるヒートスプレッダ材と比して軽量であるため、接合体１２全体の重量増を抑えることができる。
【００５０】
また、絶縁基板１６をＡｌＮで構成すれば、ＡｌＮは熱伝導率が高いため、接合体１２全体の熱伝導度を向上させる上で有利となる。絶縁基板１６をＳｉ3Ｎ4で構成すれば、ＡｌＮよりも強度が高いため、回路基板１８上にＩＣチップ２２を半田付けする際や、板部材１４にヒートシンク２４を半田付けする際に、その半田層２０及び２６の厚みや種類によっては板部材１４での応力緩和が不十分になるおそれがある場合に好ましく採用される。
【００５１】
なお、絶縁基板１６がＡｌＮ又はＳｉ3Ｎ4の場合に、金属層３２はＡｌで構成してもよい。あるいは、絶縁基板１６がＳｉ3Ｎ4の場合に、金属層３２はＣｕで構成してもよい。金属層３２をＣｕとした場合、ＡｌＮの絶縁基板１６では応力を緩和できないおそれがあるため、Ｓｉ3Ｎ4の絶縁基板１６を用いることが好ましい。
【００５２】
ここで、本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０の製造方法について図７Ａ〜図９Ｂを参照しながら説明する。
【００５３】
まず、第１の製造方法は、図７Ａに示すように、鋳包み法で使用される金型４０Ａ及び４０Ｂ内に絶縁基板１６と多孔質焼結体３０とを設置する。その後、図７Ｂに示すように、金型４０Ａ及び４０Ｂのキャビティ４２（図７Ａ参照）に溶融金属４４を流し込む。このとき、絶縁基板１６の端面と金型４０Ａの内壁面４６との間に溶融金属４４が流れ込むと共に、多孔質焼結体３０を包むように溶融金属４４が流れ込む。絶縁基板１６の端面と金型４０Ａの内壁面４６との間に流れ込んだ溶融金属４４は、その後、回路基板１８となり、多孔質焼結体３０を包むように流れ込んだ溶融金属４４は、その後、板部材１４の金属層３２となる。
【００５４】
そして、金型４０Ａ及び４０Ｂを冷却し、金型４０Ａ及び４０Ｂを開くことによって、回路基板１８と絶縁基板１６と板部材１４とが一体化された接合体１２、すなわち、本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０が完成する。その後、図１に示すように、回路基板１８上に半田層２０を介してＩＣチップ２２を実装し、板部材１４の端面に半田層２６を介してヒートシンク２４を接合することで、ヒートシンクモジュール２８が完成する。
【００５５】
この第１の製造方法においては、鋳包み法を使って容易に接合体１２を作製することができるため、製造工程の簡略化を図ることができる。つまり、軽量化、低背化、小型化及びコストの低廉化を図ることができるヒートスプレッダモジュール１０を容易に作製することができ、ヒートスプレッダモジュール１０及びヒートシンクモジュール２８の生産性の向上、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、接合体１２の各部材間に硬ろう材や半田層を介在させる必要がないため、ヒートスプレッダモジュール１０の熱伝導性の向上を図ることができる。
【００５６】
第２の製造方法は、まず、図８Ａに示すように、鋳包み法で使用される金型５０内に多孔質焼結体３０を設置し、その後、図８Ｂに示すように、金型５０のキャビティ５２（図８Ａ参照）に溶融金属４４を流し込んで、板部材１４を作製する。もちろん、ここでは、図示しないが、金型内に溶融金属を流し込んだ後、溶融金属をパンチ等で加圧するようにしてもよい（溶湯鍛造法、加圧鋳造法）。これにより、同時に多孔質焼結体３０に金属を含浸することができ、多孔質焼結体３０に金属が含浸された複合材を金属層３２にて鋳包んだ板部材１４を同時に作製することができる。
【００５７】
その後、図９Ａに示すように、板部材１４上に硬ろう材５４、絶縁基板１６、硬ろう材５６及び回路基板１８の順に載置（セッティング）する。このセッティング工程は、例えば大気中で行われる。
【００５８】
その後、図９Ｂに示すように、上述した回路基板１８、硬ろう材５６、絶縁基板１６及び硬ろう材５４がセッティングされた板部材１４を治具５８上に固定し、例えば１．０×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空中にて、上方から加圧を行いながら、昇温・降温を行って接合する。この接合処理によって、図１に示すように、回路基板１８、絶縁基板１６及び板部材１４が一体化された接合体、すなわち、ヒートスプレッダモジュール１０が完成する。
【００５９】
その後、上述した第１の製造方法と同様に、回路基板１８上に半田層２０を介してＩＣチップ２２を実装し、板部材１４の端面に半田層２６を介してヒートシンク２４を接合することで、ヒートシンクモジュール２８が完成する。
【００６０】
この第２の製造方法を採用する場合、硬ろう材５４及び５６は、活性元素を含む硬ろう材であることが好ましい。この場合、活性元素は、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｂｅ等の周期律表第２Ａ族、Ｃｅ等の第３Ａ族、Ｔｉ、Ｚｒ等の第４Ａ族、又は、Ｎｂ等の第５Ａ族、Ｂ、Ｓｉ等の第４Ｂ族に属する元素のうちの少なくとも１つを使用することができる。この実施の形態では、硬ろう材５４及び５６として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの硬ろう材を使用した。この場合、活性元素はＴｉである。
【００６１】
この第２の製造方法においては、材料の選定によっては、鋳包み法が適用できない場合もありうるが、その場合に好適に採用することができる。
【００６２】
なお、本発明に係るヒートスプレッダモジュール及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール及びヒートシンクモジュールを示す構成図である。
【図２】板部材の変形例を示す断面図である。
【図３】多孔質焼結体の１つの例を示す斜視図である。
【図４】多孔質焼結体の他の例を示す斜視図である。
【図５】接合体の熱伝導性と熱衝撃耐性を見た実験例における実施例１〜８及び比較例１〜５の内訳を示す表図である。
【図６】接合体の熱伝導性と熱衝撃耐性を見た実験例の結果を示す表図である。
【図７】図７Ａは第１の製造方法において金型に絶縁基板及び多孔質焼結体を設置した状態を示す工程図であり、図７Ｂは金型のキャビティに溶融金属を流し込んだ状態を示す工程図である。
【図８】図８Ａは第２の製造方法において金型に多孔質焼結体を設置した状態を示す工程図であり、図８Ｂは金型のキャビティに溶融金属を流し込んだ状態を示す工程図である。
【図９】図９Ａは第２の製造方法におけるセッティング工程を示す説明図であり、図９Ｂは接合工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…ヒートスプレッダモジュール        １２…接合体
１４…板部材                            １６…絶縁基板
１８…回路基板                          ２０、２６…半田層
２２…ＩＣチップ                        ２４…ヒートシンク
３０、３０Ａ、３０Ｂ…多孔質焼結体      ３２…金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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